《嵌入式linux应用程序开发标准教程》笔记——9.多线程编程

　　线程是轻量级进程，创建线程的开销要比进程小得多，在大型程序中应用广泛。

9.1 线程概述

• 进程包含自己的代码、数据、堆栈、资源等等，创建和切换的开销比较大；
• 线程是轻量级的进程，调度的最小单元，同一个进程内的线程可以共享资源；
• 线程的上下文开销比进程小得多；
• 线程有自己的堆栈，但是用户空间共享，例如一个线程修改全局变量，会影响到同一个进程内的另一个线程；

• linux里其实线程就是轻量级的进程，都用PCB表示，只不过新建线程时，共享同一个进程内的资源。线程应该是单独调度

9.2 线程编程

　　线程一般在用户空间操作，pthread线程库是通用的POXIS标准。

9.2.1 函数说明及示例

• 创建线程：pthread_create(),  确定线程的入口函数，创建后就开始执行；
• 退出线程：方式1，入口函数执行完后以后，自动结束；方式2，主动退出，pthead_exit().
• 释放资源：pthread_join(),类似wait()，也是阻塞的
• 终止别的进程：pthread_cancel(),终止别的线程；pthread_setcancel()/pthread_setcanceltype()设置是否允许别的线程结束自己及结束的方式等

【注意】：

• 线程如果调用exit()，会使整个进程退出。

#include <pthread.h>

int pthread_create( pthread_t * thread, pthread_attr_t * attr, void *(*start_routine)(void *), void * arg );
参数：
　　thread，线程标识符
　　attr，线程属性
　　start_routine, 线程入口函数
　　arg,传递给入口函数的参数
返回值：
　　成功：0
　　出错：返回错误码

void pthread_exit( void * retval );
参数：
　　retval，线程结束时的返回值，由其他线程使用pthread_join()获取
　　【注意】：如果返回变量，不用使用线程的局部变量，因为推出以后，线程的堆栈空间可能被占用，导致返回值的变化。  可以返回绝对值或者变量值。

int pthread_join( pthread_t thread, void ** thread_return );
参数：
　　thread，要等待的线程标识符
　　thread_return, 被等待线程的返回值，实质是把 *thread_return = retval,其中retval是pthread_exit的指针，即传递了一个地址而已。可以利用传递的地址直接传递返回值，也可以利用变量传递，详见后面用例。

返回值：
　　成功：0
　　出错：返回错误码

int pthread_cancel( pthread_t thread )
参数：
　　thread，要取消的线程标识符
返回值：
　　成功：0
　　出错：返回错误码

//#define EXIT_USE_VER // 用变量返回，不可用线程自己的局部变量，因为退出以后有可能被复用

#define EXIT_USE_POINT // 用指针的赋值返回，适用于返回绝对值

#include <stdio.h> // printf
#include <stdlib.h> // exit
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> // pid_t
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_DELAY_SECONDS 10.0
int rtn[3];

void fun_thread( int thread_no )
{
　　unsigned char count=0;
　　int delay_time=0;

　　printf("thread %d start.\r\n",thread_no);
　　for(count=0;count<3;count++)
　　{
　　　　delay_time = (int)(rand() * MAX_DELAY_SECONDS/RAND_MAX)+1;
　　　　sleep(delay_time);
　　　　printf("thread %d loop %dst delay second %d\r\n",thread_no,count,delay_time);
　　}
#ifdef EXIT_USE_VER
　　rtn[thread_no] = thread_no;
　　pthread_exit((void*)&rtn[thread_no]); // 不同线程退出值不同，仅测试用
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　pthread_exit((void*)0xaa); // 可以返回绝对值
#endif
}

int main(int args, char *argv[])
{
　　unsigned thread_no;
　　pthread_t thread[3];
#ifdef EXIT_USE_VER
　　int * thread_rtn;
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　void * thread_rtn;
#endif

　　printf("start.\r\n");
　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
　　　　if( pthread_create(&thread[thread_no],NULL,fun_thread,(void*)thread_no) <0 )
　　　　printf("Create thread %d err.\r\n",thread_no);
　　}

　　// exit(0); 不能有此函数，否则创建完线程以后，exit会把本进程及内部所有线程一并退出

　　// 方法1：等待输入后结束
　　// getchar();

　　// 方法2：用pthread_join()等待所有线程结束
　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
#ifdef EXIT_USE_VER
　　　　if( pthread_join(thread[thread_no], (void**)&thread_rtn) < 0 )
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　　　if( pthread_join(thread[thread_no], &thread_rtn) < 0 )
#endif
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d err.\r\n", thread_no);
　　　　else
#ifdef EXIT_USE_VER
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d status %d.\r\n", thread_no,*thread_rtn);
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d status %d.\r\n", thread_no,(int)thread_rtn);
#endif
　　}

　　exit(0);
}

$ ./example
start.
thread 2 start.
thread 1 start.
thread 0 start.
thread 1 loop 0st delay second 4
thread 0 loop 0st delay second 8
thread 2 loop 0st delay second 9
thread 2 loop 1st delay second 2
thread 1 loop 1st delay second 8
thread 2 loop 2st delay second 4
thread 0 loop 1st delay second 10
thread 1 loop 2st delay second 8
thread 0 loop 2st delay second 3
pthread_join:thread 0 status 170.
pthread_join:thread 1 status 170.
pthread_join:thread 2 status 170.

9.2.2 线程之间的同步和互斥

　　互斥锁适用于只有1个共享资源；

　　信号量适用多个共享资源的同步。

9.2.2.1 互斥锁线程控制

• 互斥锁可简单理解成全局变量，只有上锁和解锁两种状态；
•  若干其他线程希望上锁一个已经被上锁的互斥锁，则该线程挂起；
• 相关函数：
  • pthread_mutex_init(): 初始化
  • pthread_mutex_lock()：上锁
  • pthread_mutex_trylock()：判断上锁
  • pthread_mutex_unlock()：解锁
  • pthread_mutex_destroy()：清除

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t * mutex, const pthread_mutexattr_t * mutexattr );
参数：
　　mutex，互斥锁；
　　mutexattr，互斥锁种类，若为NULL，则使用默认的互斥锁类型。具体的锁类型后续研究吧
返回值：
　　成功：0
　　出错：返回错误码

int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t * mutex );
int phtread_mutex_trylock( pthread_mutex_t * mutex );
int pthread_mutex_unlock( pthread_mutex_t * mutex );
int pthread_mutex_unlock( pthread_mutex_t * mutex );
参数：
　　mutex，互斥锁
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

增加互斥锁，使原本独立的无序程序按设计预期运行

/* 9-1,pthread_mutex */

//#define EXIT_USE_VER // 用变量返回，不可用线程自己的局部变量，因为退出以后有可能被复用
#define EXIT_USE_POINT // 用指针的赋值返回，适用于返回绝对值

#include <stdio.h> // printf
#include <stdlib.h> // exit
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> // pid_t
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>

#define MAX_DELAY_SECONDS 10.0

#ifdef EXIT_USE_VER
int rtn[3];
#endif

pthread_mutex_t g_mutex;

void fun_thread( int thread_no )
{
　　unsigned char count=0;
　　int delay_time=0;

　　pthread_mutex_lock(&g_mutex);
　　printf("thread %d start.\r\n",thread_no);
　　for(count=0;count<3;count++)
　　{
　　　　delay_time = (int)(rand() * MAX_DELAY_SECONDS/RAND_MAX)+1;
　　　　sleep(delay_time);
　　　　printf("thread %d loop %dst delay second %d\r\n",thread_no,count,delay_time);
　　}
　　pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
#ifdef EXIT_USE_VER
　　rtn[thread_no] = thread_no;
　　pthread_exit((void*)&rtn[thread_no]); // 不同线程退出值不同，仅测试用
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　pthread_exit((void*)0); // 可以返回绝对值
#endif
}

int main(int args, char *argv[])
{
　　unsigned thread_no;
　　pthread_t thread[3];
#ifdef EXIT_USE_VER
　　int * thread_rtn;
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　void * thread_rtn;
#endif

　　pthread_mutex_init(&g_mutex,NULL);

　　printf("start.\r\n");
　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
　　　　if( pthread_create(&thread[thread_no],NULL,fun_thread,(void*)thread_no) <0 )
　　　　printf("Create thread %d err.\r\n",thread_no);
　　}

　　// exit(0); 不能有此函数，否则创建完线程以后，exit会把本进程及内部所有线程一并退出

　　// 方法1：等待输入后结束
　　// getchar();

　　// 方法2：用pthread_join()等待所有线程结束
　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
#ifdef EXIT_USE_VER
　　　　if( pthread_join(thread[thread_no], (void**)&thread_rtn) < 0 )
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　　　if( pthread_join(thread[thread_no], &thread_rtn) < 0 )
#endif
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d err.\r\n", thread_no);
　　　　else
#ifdef EXIT_USE_VER
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d status %d.\r\n", thread_no,*thread_rtn);
#endif
#ifdef EXIT_USE_POINT
　　　　　　printf( "pthread_join:thread %d status %d.\r\n", thread_no,(int)thread_rtn);
#endif

　　}

　　pthread_mutex_destroy(&g_mutex);
　　exit(0);
}

$ ./example
start.
thread 2 start.
thread 2 loop 0st delay second 9
thread 2 loop 1st delay second 4
thread 2 loop 2st delay second 8
thread 1 start.
thread 1 loop 0st delay second 8
thread 1 loop 1st delay second 10
thread 1 loop 2st delay second 2
thread 0 start.
thread 0 loop 0st delay second 4
thread 0 loop 1st delay second 8
thread 0 loop 2st delay second 3
pthread_join:thread 0 status 0.
pthread_join:thread 1 status 0.
pthread_join:thread 2 status 0.

9.2.2.2 信号量线程控制

• sem，本质上是非负的整数计数器
• P：sem-1
• V: sem+1
• sem>=0,进程/线程具有公共资源的访问权
• sem<0，进程/线程没有公共资源访问权，阻塞，指导sem>=0为止
• 用途:同步和互斥，若互斥，往往只有1个sem；同步时，往往有多个sem，安排不同初值来实现顺序执行
• 线程和进程的sem接口函数不同

　　　　　　　　　互斥流程

#include <semaphore.h>

int sem_init( sem_t *sem, int pshared, unsigned int value );　　// 创建信号量，并初始化它的值
参数：
　　sem，信号量指针
　　pshared，决定信号量能在几个进程间共享，linux不支持，只能用0；
　　value,信号量初始值
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

int sem_wait( sem_t *sem );　　　　// P操作，阻塞
int sem_trywait( sem_t *sem );　　// P操作，不阻塞
int sem_post( sem_t *sem );　　　 // V操作
int sem_getvalue(set_t * sem );　// 得到信号量的值
int sem_destroy(sem_t * sem );　 // 删除信号量
参数：
　　sem，信号量指针
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

用信号量实现3个进程的有序执行，倒着来，2->1->0

/* 9-3,sem */

#include <stdio.h> // printf
#include <stdlib.h> // exit
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h> // pid_t
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define MAX_DELAY_SECONDS 2.0

sem_t g_sem[3];

void fun_thread( int thread_no )
{
　　unsigned char count=0;
　　int delay_time=0;

　　sem_wait(&g_sem[thread_no]);

　　printf("thread %d start.\r\n",thread_no);
　　for(count=0;count<3;count++)
　　{
　　　　delay_time = (int)(rand() * MAX_DELAY_SECONDS/RAND_MAX)+1;
　　　　sleep(delay_time);
　　　　printf("thread %d loop %dst delay second %d\r\n",thread_no,count,delay_time);
　　}

　　if( thread_no!=0 )
　　　　sem_post(&g_sem[thread_no-1]);
　　pthread_exit((void*)0); // 可以返回绝对值
}

int main(int args, char *argv[])
{
　　unsigned thread_no;
　　pthread_t thread[3];
　　void * thread_rtn;

　　printf("start.\r\n");

　　sem_init(&g_sem[0], 0,0);
　　sem_init(&g_sem[1], 0,0);
　　sem_init(&g_sem[2], 0,1);　　// 允许2先运行

　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
　　　　if( pthread_create(&thread[thread_no],NULL,fun_thread,(void*)thread_no) <0 )
　　　　printf("Create thread %d err.\r\n",thread_no);
　　}

　　// exit(0); 不能有此函数，否则创建完线程以后，exit会把本进程及内部所有线程一并退出

　　// 方法1：等待输入后结束
　　// getchar();

　　// 方法2：用pthread_join()等待所有线程结束
　　for( thread_no=0; thread_no<3; thread_no++ )
　　{
　　if( pthread_join(thread[thread_no], &thread_rtn) < 0 )
　　　　printf( "pthread_join:thread %d err.\r\n", thread_no);
　　else
　　　　printf( "pthread_join:thread %d status %d.\r\n", thread_no,(int)thread_rtn);
　　}
　　sem_destroy(&g_sem[0]);
　　sem_destroy(&g_sem[1]);
　　sem_destroy(&g_sem[2]);

　　exit(0);
}

$ ./example
start.
thread 2 start.
thread 2 loop 0st delay second 2
thread 2 loop 1st delay second 1
thread 2 loop 2st delay second 2
thread 1 start.
thread 1 loop 0st delay second 2
thread 1 loop 1st delay second 2
thread 1 loop 2st delay second 1
thread 0 start.
thread 0 loop 0st delay second 1
thread 0 loop 1st delay second 2
thread 0 loop 2st delay second 1
pthread_join:thread 0 status 0.
pthread_join:thread 1 status 0.
pthread_join:thread 2 status 0.

9.2.3 线程属性

• pthread_create()的第二个参数可以设定线程属性，包括绑定、分离、堆栈、优先级等；
• 绑定属性，内核线程与用户线程一对一，linux用内核线程调度，如果绑定，能够保证需要时总能有对应的内核线程；如果不绑定，需要时系统分配内核线程；比较重要的线程倒是可以考虑设置绑定属性
• 分离属性，默认非分离，线程结束也留有一定的资源，pthread_join以后才彻底释放；分离，执行结束马上释放，有问题，例如执行很快，可能在create之前线程就结束返回了，此时连线程号都释放了，可能导致出错。完全没必要设置分离属性。

#include <pthread.h>

int pthread_attr_init( pthread_attr_t * attr );　　　　// 初始化
参数：
　　attr,线程属性
返回值：
　　成功：0
　　出错：返回错误码

int pthread_attr_setscope( pthread_attr_t * attr， int scope )；　 // 是否绑定
参数：
　　attr，线程属性
　　scope，PTHREAD_SCOPE_SYSTEM:绑定
　　　　   PTHREAD_SCOPE_PROCESS:非绑定
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

int pthread_attr_setdetachstate( pthread_attr_t * attr， int detachstate )；　 // 是否分离
参数：
　　attr，线程属性
　　scope，PTHREAD_CREATE_DETACHED:分离
　　　　   PTHREAD_SCOPE_JOINABLE:非分离
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

int pthread_attr_getschedparam( pthread_attr_t * attr， struct sched_param * param )；　 // 是否分离
参数：
　　attr，线程属性
　　param，线程优先级
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1

int pthread_attr_setschedparam( pthread_attr_t * attr， struct sched_param * param )；　 // 是否分离
参数：
　　attr，线程属性
　　param，线程优先级
返回值：
　　成功：0
　　出错：-1